Hirviendo
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En capítulos anteriores, hemos discutido la transferencia de calor por convección con una suposición muy importante. Asumimos una transferencia de calor por convección monofásica sin ningún cambio de fase. En este capítulo nos enfocamos en la transferencia de calor por convección asociada con el cambio en la fase de un fluido . En particular, consideramos procesos que pueden ocurrir en una interfaz sólido-líquido o sólido-vapor, a saber, ebullición (cambio de fase de líquido a vapor) y condensación ( cambio de fase de vapor a líquido).
Para estos casos, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización, es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.
La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.
Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)
h lg = 2257 kJ / kg
Calor latente de vaporización – agua a 3 MPa
h lg = 1795 kJ / kg
Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )
h lg = 931 kJ / kg
El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .
El cambio del estado líquido al vapor debido a la ebullición se mantiene mediante la transferencia de calor desde la superficie sólida; por el contrario, la condensación de un vapor al estado líquido da como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida. La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización , que es muy alto para presiones comunes , por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición y la condensación esencialmente a temperatura constante. Los coeficientes de transferencia de calor , h, asociados con la ebullición y la condensación suelen ser mucho más altos.que los encontrados en otras formas de procesos de convección que involucran una sola fase.
Esto se debe al hecho de que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. Esta capa de película de fluido estancada juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto, en la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. Como fue escrito,La ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.
Modos de ebullición – Tipos de ebullición
Desde un punto de vista práctico de ingeniería, la ebullición se puede clasificar de acuerdo con varios criterios .
Categorización por el régimen de flujo:
- Piscina hirviendo . Quizás la configuración más común, conocida como ebullición de piscinas es cuando una piscina de líquido se calienta desde abajo a través de una superficie horizontal. En la ebullición de la piscina, el líquido está inactivo y su movimiento cerca de la superficie se debe principalmente a la convección natural y a la mezcla inducida por el crecimiento y desprendimiento de la burbuja. El trabajo pionero sobre la ebullición de la piscina fue realizado en 1934 por S. Nukiyama. Fue el primero en identificar cuatro regímenes bien conocidos de ebullición de piscinas utilizando su aparato.
Flujo de ebullición. En ebullición de flujo (o ebullición por convección forzada), el flujo de fluido se fuerza sobre una superficie por medios externos como una bomba , así como por efectos de flotabilidad. Por lo tanto, la ebullición del flujo siempre va acompañada de otros efectos de convección. Las condiciones dependen en gran medida de la geometría, que puede involucrar flujo externo sobre placas y cilindros calentados o flujo interno (conducto). En los reactores nucleares , la mayoría de los regímenes de ebullición son solo ebullición por convección forzada.
Categorización por la temperatura de sobrecalentamiento de la pared, ΔT sat :
El trabajo pionero sobre la ebullición fue realizado en 1934 por S. Nukiyama , quien utilizó cables de nicromo y platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos en sus experimentos. Nukiyama fue el primero en identificar diferentes regímenes de ebullición de piscinas utilizando su aparato. Él notó que la ebullición toma diferentes formas, dependiendo del valor de la temperatura de sobrecalentamiento de la pared ΔT sat (conocida también como el exceso de temperatura) , que se define como la diferencia entre la temperatura de la pared, la pared T y la temperatura de saturación, T sat .
Se observan cuatro regímenes diferentes de ebullición de la ebullición de la piscina (en función del exceso de temperatura):
- Ebullición por convección natural ΔT sat <5 ° C
- Nucleato de ebullición 5 ° C < ΔT sat <30 ° C
- Transición Ebullición 30 ° C < ΔT sat <200 ° C
- Película en ebullición 200 ° C < ΔT sat
Descripción de los modos de ebullición :
Ebullición por convección natural. En termodinámica , el requisito para que ocurra la ebullición de sustancias puras es que T wall = T sat . Pero en experimentos reales, la ebullición no ocurre hasta que el líquido se calienta unos pocos grados por encima de la temperatura de saturación. La temperatura de la superficie debe estar algo por encima de la temperatura de saturación para mantener la formación de vapor. En este modo de ebullición , se observará vapor sobre la superficie del agua, pero generalmente no hay burbujas.será observado A medida que aumenta la temperatura de sobrecalentamiento, eventualmente se producirá el inicio de la burbuja, pero por debajo del punto A, el movimiento del fluido está determinado principalmente por las corrientes de convección naturales. El punto A generalmente se conoce como el inicio de la ebullición nucleada – ONB .
Nucleate Hervir. El tipo más común de ebullición local que se encuentra en las instalaciones nucleares es la ebullición nucleada . En la ebullición nucleada , se forman burbujas de vapor en la superficie de transferencia de calor y luego se desprenden y se transportan a la corriente principal del fluido. Tal movimiento mejora la transferencia de calor porque el calor generado en la superficie se transporta directamente a la corriente de fluido. Una vez en la corriente de fluido principal, las burbujas colapsan porque la temperatura del fluido no es tan alta como la temperatura de la superficie de transferencia de calor donde se crearon las burbujas. Este proceso de transferencia de calor a veces es deseable porque la energía creada en la superficie de transferencia de calor se “lleva” de manera rápida y eficiente.
Transición de ebullición. El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En algún valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Esto se debe a que una gran fracción de la superficie está cubierta por una película de vapor, que actúa como un aislamiento térmico debido a la baja conductividad térmica del vapor en relación con la del líquido. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de transición . La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición“. Dado que más allá del punto CHF el coeficiente de transferencia de calor disminuye, la transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.
Película hirviendo. Un aumento adicional en el flujo de calor hace que una película de vapor cubra la superficie. Esto reduce significativamente el coeficiente de convección, ya que la capa de vapor tiene una capacidad de transferencia de calor significativamente menor. Como resultado, el exceso de temperatura se dispara a un valor muy alto. Más allá del punto de Leidenfrost , una película de vapor continua cubre la superficie y no hay contacto entre la fase líquida y la superficie. En esta situación, la transferencia de calor es tanto por radiación como por conducción al vapor. Si el material no es lo suficientemente fuerte como para soportar esta temperatura, el equipo fallará por daños al material. Este fenómeno también se conoce como agotamiento. En los reactores de agua a presión, uno de los requisitos clave de seguridad (tal vez el más importante) es que no se producirá un alejamiento de la ebullición nucleada ( DNB ) durante la operación en estado estable, transitorios operativos normales y sucesos operativos anticipados (AOO). La integridad del revestimiento de combustible se mantendrá si el DNBR mínimo permanece por encima del límite de 95/95 DNBR para PWR (una probabilidad del 95% a un nivel de confianza del 95%). Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, el calor se acumula en la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible.. Simplemente, se requiere una diferencia de temperatura muy alta para transferir el flujo de calor crítico que se produce desde la superficie de la barra de combustible al refrigerante del reactor (a través de la capa de vapor).
Categorización por la temperatura de subenfriamiento, ΔT sub .
La ebullición también se puede clasificar según si está subenfriada o saturada:
- Ebullición subenfriada. En ebullición subenfriada , la temperatura de la mayoría del líquido está por debajo de la temperatura de saturación y las burbujas formadas en la superficie pueden condensarse en el líquido. Esta condensación (colapso) produce un sonido de frecuencia ~ 100Hz – 1 KHz. Es por eso que una tetera eléctrica hace el mayor ruido antes de que el agua llegue a ebullición saturada. El término subenfriamiento se refiere a un líquido que existe a una temperatura por debajo de su punto de ebullición normal.
- Ebullición saturada . En ebullición saturada (conocida también como ebullición en masa ), la temperatura del líquido excede ligeramente la temperatura de saturación. La ebullición masiva puede ocurrir cuando la temperatura del sistema aumenta o la presión del sistema cae al punto de ebullición. En este punto, las burbujas que ingresan al canal de refrigerante no colapsarán. Las burbujas tenderán a unirse y formar burbujas de vapor más grandes. Luego, las burbujas de vapor son impulsadas a través del líquido por fuerzas de flotabilidad, que eventualmente escapan de una superficie libre.
Hervir en reactores nucleares
Hervir en BWR
En los BWR, la ebullición del refrigerante se produce en el funcionamiento normal y es un fenómeno muy deseado. Las calidades de flujo típicas en núcleos BWR son del orden del 10 al 20%. Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (7MPa), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas. Por lo tanto, la evaporación ocurre directamente en los canales de combustible. Por lo tanto, los BWR son el mejor ejemplo para esta área, porque la evaporación del refrigerante ocurre en la operación normal y es un fenómeno muy deseado.
En los BWR existe un fenómeno que es de la mayor importancia en la seguridad del reactor . Este fenómeno se conoce como el “secado” y está directamente asociado con cambios en el patrón de flujo durante la evaporación en la región de alta calidad. En condiciones normales, la superficie del combustible se enfría de manera efectiva por medio del refrigerante hirviendo. Sin embargo, cuando el flujo de calor excede un valor crítico (CHF – flujo de calor crítico), el patrón de flujo puede alcanzar las condiciones de secado (desaparece la película delgada de líquido). La transferencia de calor desde la superficie del combustible al refrigerante se deteriora, con el resultado de un aumento drástico de la temperatura de la superficie del combustible .
Hervir en PWR
Aunque los primeros diseños de núcleos suponían que no se podía permitir la ebullición de la superficie en los PWR , esta suposición se rechazó pronto y la transferencia de calor en dos fases ahora es uno de los mecanismos de transferencia de calor de operación normal también en los PWR. Para los PWR en funcionamiento normal, hay un agua líquida comprimida dentro del núcleo del reactor, bucles y generadores de vapor. La presión se mantiene a aproximadamente 16MPa . A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). Como se calculó en el ejemplo , la temperatura de la superficie T Zr, 1 = 325 ° C garantiza que ni siquiera se produce una ebullición subenfriada. Tenga en cuenta que, la ebullición subenfriada requiere T Zr, 1 = T sat. Dado que las temperaturas de entrada del agua suelen ser de aproximadamente 290 ° C (554 ° F), es obvio que este ejemplo corresponde a la parte inferior del núcleo. A elevaciones más altas del núcleo, la temperatura aparente puede alcanzar hasta 330 ° C. La diferencia de temperatura de 29 ° C hace que se produzca la ebullición subenfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por otro lado, la ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente la capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel. Como resultado, el coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta significativamente y, por lo tanto, a elevaciones más altas, la diferencia de temperatura (T Zr, 1 – T en masa ) disminuye significativamente.
En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de nucleados ), lo que provoca la formación de una capa de vapor local , lo que provoca una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. Este fenómeno ocurre en la región subenfriada o de baja calidad. El comportamiento de la crisis de ebullición depende de muchas condiciones de flujo (presión, temperatura, velocidad de flujo), pero la crisis de ebullición ocurre a flujos de calor relativamente altos y parece estar asociada con la nube de burbujas, adyacente a la superficie. Estas burbujas o películas de vapor reducen la cantidad de agua entrante. Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, el calor se acumulaen la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible .
Saturación en presurizador
Un presurizador es un componente de un reactor de agua a presión . La presión en el circuito primario de los PWR se mantiene mediante un presurizador , un recipiente separado que se conecta al circuito primario (pata caliente) y se llena parcialmente con agua que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada mediante un sistema eléctrico sumergido. calentadores. La temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor) de 30 ° C. El margen de subenfriamiento es un parámetro de seguridad muy importante de los PWR, ya que se debe excluir la ebullición en el núcleo del reactor. El diseño básico del reactor de agua a presión incluye el requisito de que el refrigerante (agua) en el sistema de refrigeración del reactor no debe hervir. Para lograr esto, el refrigerante en el sistema de refrigeración del reactor se mantiene a una presión suficientemente alta que no se produce la ebullición a las temperaturas del refrigerante experimentadas mientras la planta está funcionando o en un transitorio analizado.
Las funciones
La presión en el presurizador se controla variando la temperatura del refrigerante en el presurizador. Para estos fines, se instalan dos sistemas. Sistema de rociado de agua y sistema de calentadores eléctricos . El volumen del presurizador (decenas de metros cúbicos) se llena con agua en los parámetros de saturación y vapor. El sistema de rociado de agua (agua relativamente fría – de la pierna fría) puede disminuir la presión en el recipiente al condensar el vapor en las gotas de agua rociadas en el recipiente. Por otro lado, los calentadores eléctricos sumergidos están diseñados para aumentar la presión por evaporación del agua en el recipiente. La presión del agua en un sistema cerrado rastrea la temperatura del agua directamente; A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión.
Hervir en generador de vapor
Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina. Se utilizan en la mayoría de las centrales nucleares, pero hay muchos tipos según el tipo de reactor .
El refrigerante primario caliente ( agua 330 ° C; 626 ° F; 16MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada primaria. La alta presión del refrigerante primario se utiliza para mantener el agua en estado líquido. No se debe hervir el refrigerante primario. El agua líquida fluye a través de cientos o miles de tubos (generalmente de 1,9 cm de diámetro) dentro del generador de vapor. El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde ~ 260 ° C 500 ° F hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado. (vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . El vapor presurizado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor. La transferencia de calor se logra sin mezclar los dos fluidos para evitar que el refrigerante secundario se vuelva radioactivo. El refrigerante primario sale (agua 295 ° C; 563 ° F; 16MPa) del generador de vapor a través de la salida primaria y continúa a través de una pierna fría hasta la bomba de refrigerante del reactor y luego al reactor.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.net o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
